Имитационное моделирование экономических процессов

Графическая  среда  моделирования  AnyLogic  включает  в  себя  следующие элементы (рис.2.2):

  Stock &  Flow Diagrams  (диаграмма  потоков  и  накопителей)  применяется при разработке моделей, используя метод системной динамики. 

  Statecharts (карты состояний) в основном используется в агентных моделях для  определения  поведения  агентов. Но  также  часто  используется  в  дискретно-событийном моделировании, например для симуляции машинных сбоев. 

  Action  charts  (блок-схемы)  используется  для  построения  алгоритмов.

Применяется в дискретно-событийном моделировании  (маршрутизация  звонков) и агентном моделировании (для логики решений агента). 

  Process  flowcharts  (процессные  диаграммы)  основная  конструкция, используемая  для  определения  процессов  в  дискретно-событийном моделировании. 

Рис.2.2 Конструкции среды моделирования AnyLogic

Среда  моделирования  также  включает  в  себя:  низкоуровневые  конструкции моделирования  (переменные,  уравнения,  параметры,  события  и  т.п.),  формы представления  (линии, квадраты, овалы и т.п.), элементы анализа  (базы данных, гистограммы, графики), стандартные картинки и формы экспериментов.

Среда  моделирования  AnyLogic  поддерживает  проектирование,  разработку, документирование  модели,  выполнение  компьютерных  экспериментов  с моделью,  включая  различные  виды  анализа  –  от  анализа  чувствительности  до оптимизации параметров модели относительно некоторого критерия. AnyLogic включает в себя набор следующих стандартных библиотек:

Enterprise  Library  разработана  для  поддержки  дискретно-событийного моделирования  в  таких  областях  как  производство,  цепи  поставок,  логистика  и здравоохранение.  Используя  Enterprise  Library,  Вы  можете  смоделировать системы  реального мира  с  точки  зрения  заявок  (англ.  entity)  (сделок,  клиентов, продуктов,  транспортных  средств,  и т. д.),  процессов  (последовательности операций,  очередей,  задержек)  и  ресурсов.  Процессы  определены  в  форме блочной диаграммы. 

  Pedestrian  Library  создана  для  моделирования  пешеходных  потоков  в "физической"  окружающей  среде.  Это  позволяет  Вам  создавать  модели  с большим  количеством  пешеходного  трафика  (как  станции  метро,  проверки безопасности,  улицы  и т. д.). Модели поддерживают  учѐт  статистики плотности движения  в  различных  областях.  Это  гарантирует  приемлемую  работу  пунктов обслуживания  с  ограничениями  по  загруженности,  оценивает  длину простаивания  в  определѐнных  областях,  и  обнаруживает  потенциальные проблемы  с  внутренней  геометрией  –  такие  как  эффект  добавления  слишком большого  числа  препятствий  –  и  другими  явлениями.  В  моделях,  созданных  с помощью  Pedestrian  Library,  пешеходы  двигаются  непрерывно,  реагируя  на различные  виды  препятствий  (стены,  различные  виды  областей)  так  же  как  и обычные пешеходы. Пешеходы моделируются как взаимодействующие агенты со сложным  поведением.  Для  быстрого  описания  потоков  пешеходов  Pedestrian Library обеспечивает высокоуровневый интерфейс в виде блочной диаграммы. 

  Rail Yard Library поддерживает моделирование, имитацию и визуализацию операций  сортировочной  станции  любой  сложности  и  масштаба.  Модели сортировочной  станции  могут  использовать  комбинированные  методы моделирования  (дискретно-событийное и  агентное моделирование),  связанные с действиями  при  транспортировке:  погрузками  и  разгрузками,  распределением ресурсов, обслуживанием, различными бизнес-процессами.

2.3. Основные возможности и средства имитационного моделирования в среде AnyLogic

Среди основных функциональных возможностей имитационного моделирования в среде AnyLogic  необходимо выделить:

1. Две фазы имитационного моделирования: разработка модели и ее анализ  явно  разделены.  Разработка  модели  выполняется  в  среде  редактора AnyLogic,  а  анализ  модели  происходит  в  среде  исполнения.  В  каждой  фазе существуют свои средства управления. 

Переход  из  одной  фазы  в  другую  производится  очень  легко.  Можно многократно использовать переход между фазами редактирования и исполнения модели при разработке модели.

2. Активные объекты, классы и экземпляры активных объектов

Класс  в  программировании  является  мощным  средством,  позволяющим структурировать  сложную  систему. Класс  определяет шаблон,  в  соответствии  с которым  строятся  отдельные  экземпляры  класса.  Эти  экземпляры  могут  быть определены как объекты других активных объектов.

В  AnyLogic  основным  структурным  блоком  при  создании  моделей  являются классы  активных  объектов.  Использование  активных  объектов  является естественным средством структуризации модели сложных систем: мир состоит из множества  параллельно  функционирующих  и  взаимодействующих  между  собой сущностей.  Различные  типы  этих  сущностей  и  представляют  разные  активные объекты.

Чтобы создать модель AnyLogic, нужно создать классы активных объектов (или использовать  объекты  библиотек  AnyLogic).  Определение  активного  объекта задает  шаблон,  и  отдельные  объекты,  построенные  в  соответствии  с  этим шаблоном  (экземпляры  активного  объекта),  могут  использоваться  затем  как элементы  других  активных  объектов. Каждый  активный  объект имеет  структуру  (совокупность  включенных  в него  активных  объектов  и  их  связи),  а  также  поведение,  определяемое совокупностью переменных, параметров, стейтчартов и т. п.

Каждый  экземпляр  активного  объекта  в  работающей  модели  имеет  свое собственное  поведение,  он  может  иметь  свои  значения  параметров,  он функционирует  независимо  от  других  объектов,  взаимодействуя  с  ними  и  с внешней средой.

3.Объектно-ориентированный подход

AnyLogic  использует  объектно-ориентированный  подход  к  представлению сложных  систем.  Этот  подход  позволяет  простым  и  естественным  образом организовать  и  представить  структуру  сложной  системы  с  помощью  иерархии абстракций.  Например,  на  некотором  уровне  абстракции  автомобиль  можно считать  неким  единым  объектом.  Но  более  детально  его  можно  представить  как совокупность  взаимодействующих  подсистем:  двигателя,  рулевого  управления, тормозной  системы  и  т.  п. Каждая  из  этих  подсистем может  быть  представлена, если это необходимо, своей структурой взаимодействующих подсистем. 

4. Визуальная разработка модели

При  построении  модели   не  используются  никакие  другие  средства, кроме  средств  визуальной  разработки  (введения  состояний  и  переходов стейтчарта,  введения  пиктограмм  переменных  и  т.  п.),  задания  численных значений  параметров,  аналитических  записей  соотношений  переменных  и аналитических  записей  условий  наступления  событий.  Основной  парадигмой, принятой в AnyLogic при разработке моделей, является визуальное проектирование – построение с помощью графических объектов и пиктограмм иерархий структуры и поведения активных объектов.

5. Встроенный язык Java

AnyLogic является надстройкой над языком Java – одним из самых мощных и в то  же  время  простых  современных  объектно-ориентированных  языков.  Все объекты,  определенные  пользователем  при  разработке  модели  на  AnyLogic  с помощью его графического редактора, компилируются в конструкции языка  Java, а  затем  происходит  компиляция  всей  собранной  программы  на  Java,  задающей модель, в исполняемый код.

Хотя  при  построении  модели  на  AnyLogic  разработчик  использует конструкции  языка  Java  в большей или меньшей  степени, в действительности  он никогда  не  разрабатывает  полные  программы,  он  не  программирует,  а  лишь вставляет фрагменты  кода  в  специально  предусмотренные  для  этого  поля  окна.

6. Средства описания поведения объектов

Основным средством спецификации поведения объектов в AnyLogic являются переменные, таймеры и стейтчарты. 

Переменные отражают изменяющиеся характеристики объекта. 

Таймеры можно взводить на определенный интервал времени и по окончании этого интервала выполнять заданное действие. 

Стейтчарты позволяют визуально представить поведение объекта во времени под  воздействием  событий  или  условий,  они  состоят  из  графического изображения состояний и переходов между ними. 

Любая  сложная  логика  поведения  объектов  модели  в  AnyLogic  может  быть выражена  с  помощью  комбинации  стейтчартов,  дифференциальных  и алгебраических  уравнений, переменных,  таймеров и программного  кода на  Java.

7. Имитация нескольких параллельно протекающих процессов

Интерпретация  любого  числа  параллельно  протекающих  процессов  в  модели AnyLogic  скрыта  от  пользователя.  Никаких  календарей  событий  разработчик модели  на  AnyLogic  не  ведет,  отслеживание  событий  во  всех  процессах, определенных в модели, выполняется системой автоматически.

8. Модельное и реальное время

Понятие  модельного  времени  является  базовым  в  системах  имитационного моделирования.  Модельное  время  –  это  условное  логическое  время,  в  единицах которого  определено  поведение  всех  объектов  модели.  В  моделях  AnyLogic модельное  время  может  изменяться  либо  непрерывно,  если  поведение  объектов описывается дифференциальными уравнениями, либо дискретно, переключаясь от момента наступления одного события к моменту наступления следующего события, если  в  модели  присутствуют  только  дискретные  события. Моменты  наступления всех планируемых событий в дискретной модели исполнительная система хранит в так  называемом  календаре  событий,  выбирая  оттуда  наиболее  раннее  событие для  выполнения  связанных  с  ним  действий.  Значение  текущего  времени  в моделях AnyLogic может быть получено обращением к функции getTime.

Единицу модельного времени разработчик модели может интерпретировать как любой  отрезок  времени:  секунду,  минуту,  час  или  год.  Важно  только,  чтобы  все процессы, зависящие от времени, были выражены в одних и тех же единицах. При моделировании  физических  процессов  все  параметры  и  уравнения  должны  быть выражены  в  одной  и  той же  системе физических  величин.

Интерпретация  модели  выполняется  на  компьютере.  Физическое  время, затрачиваемое процессором на имитацию действий, которые должны выполняться в  модели  в  течение  одной  единицы  модельного  времени,  зависит  от  многих факторов. Поэтому, конечно, единица физического и единица модельного времени не совпадают.

В  AnyLogic  приняты  два  режима  выполнения  моделей:  режим  виртуального времени и режим реального времени. 

В  режиме  виртуального  времени  процессор  работает  с  максимальной скоростью  без  привязки  к  физическому  времени.  Этот  режим  используется  для факторного  анализа  модели,  набора  статистики,  оптимизации  параметров модели  и  т.  п.  Поскольку  анимация  и  другие  окна  наблюдения  за  поведением модели  обычно  существенно  замедляют  скорость  интерпретации  модели  на компьютере,  для  повышения  скорости  выполнения  модели  эти  окна  нужно закрыть.

В режиме реального времени пользователь задает связь модельного времени с физическим  временем,  то  есть  устанавливается  ограничение  на  скорость процессора при интерпретации модели. В этом режиме задается количество единиц модельного  времени,  которые  должны  интерпретироваться  процессором  в  одну секунду.  Обычно  данный  режим  включается  для  того,  чтобы  визуально представить функционирование  системы в реальном  темпе наступления  событий, проникнуть в суть процессов, происходящих в модели. 

9. Анимация поведения модели

Удобные  средства  разработки  анимационного  представления  модели  в Any  Logic позволяют представить функционирование моделируемой системы в живой форме динамической  анимации,  что  позволяет  увидеть  поведение  сложной  системы.

Средства  анимации  позволяют  пользователю  легко  создать  виртуальный  мир (совокупность  графических  образов,  ожившую  мнемосхему  и  т. п.), управляемый  динамическими  параметрами  модели  по  законам,  определенным пользователем с помощью уравнений и логики моделируемых объектов. Визуальное представление  поведения  системы  помогает  пользователю  проникнуть  в  суть процессов, происходящих в системе.

10. Интерактивный анализ модели

Многие системы моделирования позволяют менять параметры модели только до запуска модели на выполнение. Any Logic позволяет пользователю вмешиваться в  работу  модели,  изменяя  параметры  модели  в  процессе  ее  функционирования. Поэтому  окно  анимации  можно  назвать  «стендом»  для  проведения компьютерного  эксперимента  с  моделью. 

Глава 3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

3.1. Дискретно-событийное моделирование в AnyLogic

Термин «дискретно-событийное моделирование»  закрепился  за моделированием систем обслуживания потоков объектов.

Базовые  средства  AnyLogic  для  построения  моделей  дискретно-событийных систем  могут  быть  использованы  в  широком  диапазоне  совершенно  различных приложений  имитационного  моделирования.  Существует,  однако,  область приложений  дискретно-событийного  моделирования,  в  которой  единая  парадигма позволяет применить, фактически, одну и ту же методологию к решению множества  важных  практических  проблем. Эта  область  –  массовое  обслуживание.

Традиционным подходом к моделированию задач массового обслуживания является разработка  библиотеки  многократно  используемых  объектов,  из  которых  могут  быть  собраны  совершенно  различные модели,  решающие  разнообразные  задачи  этой  области.  В  AnyLogic  такой традиционный  путь  решения  класса  задач  реализуется  очень  просто:  создается библиотека типовых блоков, собирая которые в связанные структуры и настраивая их параметры можно значительно ускорить разработку моделей этого класса. Нужно помнить  при  этом,  что  все  базовые  средства AnyLogic могут  быть  использованы  в случае, если функциональности библиотечных объектов недостаточно для решения специфических проблем.